CN111064356A - 可提升功率因素的电源供应电路 - Google Patents

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CN111064356A CN201811201729.XA CN201811201729A CN111064356A CN 111064356 A CN111064356 A CN 111064356A CN 201811201729 A CN201811201729 A CN 201811201729A CN 111064356 A CN111064356 A CN 111064356A
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Abstract

本发明公开了一种电源供应电路，包括：交流直流转换器、变压器、第一电流开关、开关控制电路与功率因素提升电路。所述交流直流转换器可用以将一交流电源信号转换为一直流电源信号。所述变压器包括一次侧及二次侧，其中所述一次侧的第一端耦接于所述交流直流转换器，所述二次侧的第二端耦接于接地电位，所述第一电流开关的第一端耦接于所述变压器的所述一次侧的第二端，且所述第一电流开关的第二端通过阻抗组件而耦接于所述接地电位。所述功率因素提升电路选择性地调整零电流侦测电压，以使所述开关控制电路将所述第一电流开关设置为导通状态。通過本发明，电源供应电路在整个输入电压范围内皆能够有效地提升功率因素，以提升产品的用电效率。

Description

可提升功率因素的电源供应电路
技术领域
本发明关于一种电源供应电路，尤其关于一种可改善高输入电压的功率因素的电源供应电路。
背景技术
目前，有许多产业标准被制定来规范电子产品的用电效率，以达到节约能源的目的。例如：有些产业标准要求电源供应电路的功率因素需要达到0.9或更高的数值。目前许多电子产品皆可接受100～240伏特的输入电压，当输入电压较低时，高功率因素的要求较容易达到。然而，当输入电压较高时，高功率因素的要求则不易达成。相较于低输入电压，电子产品采用高输入电压时的输入电流通常比较小，无法有效达到修正功率因素的目标，而导致功率因素无法符合能源效率的相关规范。因此，需要一种新颖的方法及相关架构，以改善高输入电压的功率因素。
发明内容
本发明的一目的在于公开一种可改善高输入电压的功率因素的电源供应电路，以解决上述问题。
本发明的至少一实施例公开一种电源供应电路，用以供电于一负载，所述电源供应电路包括一交流直流转换器、一变压器、一第一电流开关、一开关控制电路与一功率因素提升电路。所述交流直流转换器可用以将一交流电源信号转换为一直流电源信号。所述变压器包括一一次侧及一二次侧，其中所述一次侧的一第一端耦接于所述交流直流转换器，所述二次侧的一第二端耦接于一接地电位，所述第一电流开关的一第一端耦接于所述变压器的所述一次侧的一第二端，所述第一电流开关的一第二端通过一阻抗组件而耦接于所述接地电位，并且所述开关控制电路可耦接于所述变压器的所述二次侧的一第一端、所述第一电流开关的一控制端及所述第一电流开关的所述第二端，以设置所述第一电流开关呈现一导通状态或一不导通状态。另外，所述功率因素提升电路耦接于所述交流直流转换器及所述变压器的所述二次侧的所述第一端。当所述开关控制电路判断所述第一电流开关的所述第二端上的一侦测电压大于一第一默认电压值时，所述开关控制电路会设置所述第一电流开关呈现所述不导通状态。当所述开关控制电路判断所述变压器的所述二次侧的所述第一端上的一零电流侦测电压小于一第二默认电压值时，所述开关控制电路会设置所述第一电流开关呈现所述导通状态。此外，当所述直流电源信号大于一默认输入电压位准时，所述功率因素提升电路会将所述零电流侦测电压设置为小于所述第二默认电压值，使所述开关控制电路将所述第一电流开关设置为所述导通状态。
本发明的好处的一是，电源供应电路在整个输入电压范围内皆能够有效地提升功率因素，以提升电子产品的用电效率。
附图说明
图1为依据本发明一实施例的一种电子装置的示意图。
图2绘示图1所示的功率因素提升电路的例子。
图3绘示图1所示架构的相关信号的例子。
其中，附图标记说明如下：
10 电子装置
11 电源供应电路
12 负载
50 交流直流转换器
100 直流控制电路
110 主动功率因素修正器
112 开关控制电路
114 变压器
120 功率因素提升电路
122 比较电路
122C 比较器
124 电压调整电路
D 二极管
Co 电容器
L,LZCD 电感器
Q,Q1 电流开关
RS 阻抗组件
Rc,R1,R2,RD 电阻器
Vcom,ZCD,N1,N2,AC+, 端子
AC-
GND 接地
IL,IQ 电流
VS 侦测电压
VZCD 零电流侦测电压
VGS_Q 电压
t 时间
T 周期
TOFF(0),TOFF(1) 关闭时期
TON(0),TON(1) 开启时期
具体实施方式
图1为依据本发明一实施例的一种电子装置10的示意图。电子装置10可包括一电源供应电路11及其负载12，而电源供应电路11可包括一组交流电源端子诸如端子{AC+,AC-}、一交流直流转换器(Alternating Current-to-Direct Current converter)50、以及一直流控制电路100，其中直流控制电路100中的各个组件可区分为一主动功率因素修正器(active power factor corrector)110与一功率因素提升电路120。电源供应电路11可用以供电于负载12。为了便于理解，电源供应电路11可通过一组电源输出端子提供电源给电子装置10中的其他电路，在本实施例中将其他电路简化绘示为负载12，以更清楚地说明。
如图1所示，主动功率因素修正器110可包括一开关控制电路112、一变压器114、一电流开关Q、一阻抗组件RS、一二极管D以及一电容器Co，其中变压器114包括一一次侧(primary side)及一二次侧(secondary side)。为了便于理解，变压器114的所述一次侧与所述二次侧各自的线圈(诸如主线圈与辅助线圈)可分别视为电感器L与LZCD。所述一次侧(例如电感器L)的一第一端与一第二端，诸如其左侧端子与右侧端子，分别耦接至交流直流转换器50与二极管D。所述二次侧(例如电感器LZCD)的一第一端与一第二端，诸如其左侧端子与右侧端子，分别耦接至开关控制电路112与一接地电位(以接地GND表示)。电流开关Q的一第一端(诸如其上方端子)耦接至变压器114的所述一次侧的所述第二端(诸如电感器L的右侧端子)，并且电流开关Q的一第二端(诸如其下方端子)通过阻抗组件RS而耦接至所述接地电位(以接地GND表示)。开关控制电路112耦接于变压器114的所述二次侧的所述第一端(诸如电感器LZCD的左侧端子)、电流开关Q的一控制端(诸如其左侧端子)及电流开关Q的所述第二端(诸如其下方端子)，以设置电流开关Q呈现一导通状态或一不导通状态。另外，功率因素提升电路120耦接至交流直流转换器50及变压器114的所述二次侧的所述第一端(诸如电感器LZCD的左侧端子)。功率因素提升电路120可包括耦接至交流直流转换器50的一比较电路122、以及耦接至比较电路122及变压器114的所述二次侧的所述第一端(诸如电感器LZCD的左侧端子)的一电压调整电路124。在上述的实施例中，交流直流转换器50可以采用桥式整流器或其他合适的电路架构等方式实施；电流开关Q可以采用晶体管或其他的电路组件等方式实施；阻抗组件RS可以采用电阻器或其他的电路组件等方式实施。
依据本实施例，交流直流转换器50可将接收自端子{AC+,AC-}的至少一交流电源信号转换为一直流电源信号，且通过端子N1将所述直流电源信号传送至主动功率因素修正器110。主动功率因素修正器110可修正功率因素，尤其，可进行侦测以产生多个侦测信号(例如零电流侦测电压VZCD与侦测电压VS)，且依据所述多个侦测信号进行切换控制以将所述直流电源信号转换为一输出电源信号(诸如，另一电压位准的直流电源信号)，以供电给负载12。基于所述切换控制，电流开关Q交替地(alternately)开启与关闭，以于所述导通状态与所述不导通状态之间切换。举例来说，所述直流电源信号通过所述变压器114的所述一次侧，而变压器114可于变压器114的所述二次侧产生零电流侦测电压VZCD。开关控制电路112可分别通过端子Vcom与ZCD接收阻抗组件RS的两端子之间的侦测电压VS与零电流侦测电压VZCD。当开关控制电路112判断电流开关Q的所述第二端上的侦测电压VS大于一第一默认电压值(例如目标电压值Vcom)时，开关控制电路112会设置电流开关Q呈现所述不导通状态。当开关控制电路112判断变压器114的所述二次侧的所述第一端上的零电流侦测电压VZCD小于一第二默认电压值(例如一低电压位准诸如0.3V)时，开关控制电路112会设置电流开关Q呈现所述导通状态。
另外，功率因素提升电路120可从端子N1取得所述直流电源信号，且可依据所述直流电源信号动态地(dynamically)调整零电流侦测电压VZCD，以引导主动功率因素修正器110提升所述功率因素。当所述直流电源信号大于一默认输入电压位准时，功率因素提升电路120会将零电流侦测电压VZCD设置为小于所述第二默认电压值(例如所述低电压位准诸如0.3V)，使开关控制电路112将电流开关Q设置为所述导通状态。举例来说，比较电路122可比较所述直流电源信号与所述默认输入电压位准，且侦测所述直流电源信号是否达到所述默认输入电压位准，以对应地产生一控制信号，而电压调整电路124可依据所述控制信号动态地调整零电流侦测电压VZCD的电压位准，以控制主动功率因素修正器110提升所述功率因素。由于电压调整电路124通过端子N2耦接至变压器114的所述二次侧，故端子N2上的电压位准可等于零电流侦测电压VZCD的电压位准。当比较电路122判断所述直流电源信号大于所述默认输入电压位准时，因应指出此状况的所述控制信号，电压调整电路124可将零电流侦测电压VZCD设置为小于所述第二默认电压值，使开关控制电路112将电流开关Q设置为所述导通状态。
请注意，针对主动功率因素修正器110，在零电流侦测电压VZCD未被功率因素提升电路120调整的状况下，零电流侦测电压VZCD可用来指出所述直流电源信号的电流是否趋近于零。在高输入电压的情况下，功率因素提升电路120可通过设置零电流侦测电压VZCD的数值，来加速触发主动功率因素修正器110开启电流开关Q，以提升所述功率因素。例如，在所述直流电源信号的电流趋近于零之前，功率因素提升电路120可改造零电流侦测电压VZCD以立即进入一预定范围，以强迫零电流侦测电压VZCD指出所述直流电源信号的电流趋近于零。因此，上述的实施例在高输入电压的情况下，仍然能够有效地提升功率因素。
基于图1所示架构，电源供应电路11可适用于各国家/地区的各种交流电压。不论低交流电压(Low-line AC voltage)或高交流电压(High-line AC voltage)被施加于端子{AC+,AC-}，电源供应电路11均能妥善地运作，以维持所述功率因素于很高的数值(诸如0.9以上)。例如，电源供应电路11可应用于低交流电压诸如100V至120V的电压范围。此状况下，电源供应电路11可仰赖主动功率因素修正器110的主动功率因素修正以达到高功率因素诸如0.9以上，而不需要仰赖功率因素提升电路120的功率因素提升，其中主动功率因素修正器110能控制输入电流近似于弦波，并保持输入电流与输入电压同相位。又例如，电源供应电路11可应用于高交流电压诸如200V至240V的电压范围。此状况下，电源供应电路11可仰赖主动功率因素修正器110的主动功率因素修正以及功率因素提升电路120的功率因素提升，以达到高功率因素诸如0.9以上，其中藉助于功率因素提升电路120，主动功率因素修正器110能控制输入电流近似于弦波，并且保持输入电流与输入电压同相位。
在上述实施例中，开关控制电路112可以采用电源管理集成电路、特殊应用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit,ASIC)等方式实施。
依据某些实施例，开关控制电路112可采用一预定调变方式，以设置电流开关Q呈现所述导通状态或所述不导通状态。所述预定调变方式的例子可包括(但不限于)：脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation,PWM)方式以及脉冲频率调变(Pulse FrequencyModulation,PFM)方式。
图2绘示图1所示的功率因素提升电路120的例子。比较电路122可包括一分压电路(voltage dividing circuit)诸如一组电阻器{R1,R2}、以及耦接至所述分压电路的一比较器122C(标示「CMP」，以便于理解)，而电压调整电路124可包括耦接至比较器122C的一电流开关Q1(诸如晶体管)、以及耦接至电流开关Q1的一电阻器RD。由于在图1所示架构中，功率因素提升电路120通过端子N2耦接至变压器114的所述二次侧的所述第一端，故本实施例的电流开关Q1耦接于变压器114的所述二次侧的所述第一端及所述接地电位(以接地GND表示)之间，其中比较电路122与电流开关Q1的一控制端(诸如其左侧端子)彼此耦接。当比较电路122判断所述直流电源信号大于所述默认输入电压位准时，比较电路122会设置电流开关Q1呈现一导通状态，以使零电流侦测电压VZCD小于所述第二默认电压值，而使开关控制电路112将电流开关Q设置为所述导通状态。当比较电路122判断所述直流电源信号小于所述默认输入电压位准时，比较电路122会设置电流开关Q1呈现一不导通状态。
依据本实施例，所述分压电路诸如所述组电阻器{R1,R2}可从端子N1取得所述直流电源信号，且可依据所述直流电源信号进行分压以产生一中间电压信号，尤其，通过电阻器R1与R2之间的端子输出所述中间电压信号至比较器122C。比较器122C可分别通过其非反向输入端子与反向输入端子(分别标示「+」与「-」，以便于理解)接收所述中间电压信号与一预定电压位准(例如：1.99V)，且可将所述中间电压信号的一电压位准和所述预定电压位准进行比较，以产生一比较结果，其中比较器122C的输出端子上的所述控制信号载有所述比较结果。于是，比较电路122可通过所述控制信号控制电压调整电路124是否调整零电流侦测电压VZCD。
另外，电流开关Q1可依据所述控制信号选择性地拉低(pull down)零电流侦测电压VZCD。当所述比较结果指出所述中间电压信号的所述电压位准大于所述预定电压位准(例如：1.99V)，这表示所述直流电源信号大于所述默认输入电压位准，则比较电路122可开启电流开关Q1以拉低零电流侦测电压VZCD至小于或等于所述第二默认电压值(例如所述低电压位准诸如0.3V)。当所述比较结果指出所述中间电压信号的所述电压位准小于所述预定电压位准(例如：1.99V)，这表示所述直流电源信号小于所述默认输入电压位准，则比较电路122可关闭电流开关Q1以避免拉低零电流侦测电压VZCD。于本实施例中，电阻器R1与R2的各自的电阻值R1与R2(分别以斜体字的同符号表示)可被设计成具有下列关系：
(R1+R2):R2＝100:1
其中所述分压电路诸如所述组电阻器{R1,R2}可取得所述直流电源信号的电压位准的1％作为所述中间电压信号的电压位准。举例来说，电阻器R1、R2与RD的各自的电阻值R1、R2与RD可分别为99kΩ(kilo-ohm；千奥姆)、1kΩ与10kΩ。此状况下，当所述直流电源信号的电压位准大于199V(例如达到200V)以致所述中间电压信号的所述电压位准大于1.99V，比较器122C所输出的比较结果为所述控制信号的高位准，使电流开关Q1处于导通状态，所以电流开关Q1可拉低端子N2上的零电流侦测电压VZCD，例如拉低至所述低电压位准诸如0.3V。当所述直流电源信号的电压位准小于199V以致所述中间电压信号的所述电压位准小于1.99V，比较器122C所输出的比较结果为所述控制信号的低位准，使电流开关Q1处于不导通状态，所以电流开关Q1不会拉低端子N2上的零电流侦测电压VZCD。
依据某些实施例，图2所示架构可予以变化。例如，电阻值R1、R2、及/或RD可予以变化(增加或减少)。又例如，比率((R1+R2)/R2)、及/或所述预定电压位准诸如1.99V可予以变化(增加或减少)。因此，上述的实施例可以依据不同的设计需求，而能仅在输入电压高于预定的数值时，才启动功率因素提升电路120以达到提升功率因素的目标。
关于电源供应电路11的某些细节另说明如下。依据某些实施例，主动功率因素修正器110(例如开关控制电路112)可控制主动功率因素修正中的目标，诸如随时间改变的目标电流值，尤其，可监控端子N1上的所述直流电源信号的波形、及/或其相似波形，且计算所述相似波形的大小(波形取样值)以及来自电源输出端子的反馈信号的大小的乘积，作为所述目标诸如这些目标电流值，其中所述相似波形的一系列波形取样值可包括对所述直流电源信号的分压信号进行取样所取得的电压取样值。另外，于进行所述切换控制时，开关控制电路112可利用所述目标作为电流IL上升的上限。例如，当开关控制电路112开启电流开关Q(其可视为功率开关)时，电感器L储存能量，且电流IL对应地上升，其中电流IQ等于电流IL。又例如，当开关控制电路112关闭电流开关Q时，电感器L输出储存于其内的能量，以通过二极管D对电容器Co(其可视为输出电容器)充电并提供能量给负载12，并且电流IL对应地下降。于进行所述切换控制时，开关控制电路112可依据侦测电压VS与零电流侦测电压VZCD控制电流开关Q处于导通状态或不导通状态。当电流开关Q处于导通状态时，电流IQ通过阻抗组件RS(其可具有电阻值RS，以斜体字的同符号表示)，使侦测电压VS具有非零值，如下所示：
VS＝(IQ*RS)＝(IL*RS)；
其中IQ＝IL。由于侦测电压VS和电流IL成正比，故开关控制电路112可通过将接收自端子Vcom的侦测电压VS和对应于所述目标的目标电压值Vcom进行比较，来监控电流IL是否达到所述目标诸如当时的目标电流值。当侦测电压VS大于目标电压值Vcom时(这表示电流IL达到当时的目标电流值)，开关控制电路112关闭电流开关Q。于是，变压器114的主线圈(诸如电感器L)的极性反转(基于冷次定律(Lenz's law))，而变压器114的辅助线圈(诸如电感器LZCD)上产生的零电流侦测电压VZCD可被开关控制电路112所侦测。当所述主线圈诸如电感器L释放能量时(电流IL对应地下降)，辅助线圈诸如电感器LZCD的状态对应地变化，且因此零电流侦测电压VZCD对应地下降。开关控制电路112可具有一正反器(Flip-flop,FF)诸如RS正反器，以供控制电流开关Q处于导通状态或不导通状态，且可通过切换所述正反器的状态进行所述切换控制，以切换电流开关Q的导通状态或不导通状态。例如，当零电流侦测电压VZCD减少至所述第二默认电压值(诸如0.3V)，开关控制电路112可触发切换所述正反器的状态，以开启电流开关Q，其中侦测零电流侦测电压VZCD减少至所述第二默认电压值的运作可视为零电流侦测(Zero current detection)。此外，电阻器Rc可用来作为限流电阻器，且其电阻值Rc(以斜体字的同符号表示)可为63kΩ。于某些实施例中，电阻值Rc可予以变化。
图3绘示图1所示架构的相关信号(诸如电压{VZCD,VGS_Q}与电流{IL,IQ})的例子。图3左半部所示曲线可对应于缺乏上述功率因素提升的状况(例如禁用(disable)或未实施功率因素提升电路120)，而图3右半部所示曲线可对应于存在上述功率因素提升的状况(例如启用(enable)或有实施功率因素提升电路120)。电压VGS_Q代表电流开关Q的闸极端子与源极端子之间的电压，而关闭时期诸如{TOFF(0),TOFF(1)}与开启时期诸如{TON(0),TON(1)}分别对应于电流开关Q的不导通状态与导通状态。针对相同长度的周期T，TOFF(1)<TOFF(0)且TON(1)>TON(0)，其中TOFF(0)+TON(0)＝TOFF(1)+TON(1)＝T。相较于图3左半部，图3右半部所示的电流IL与IQ有较长的开启时期TON(1)持续增加(TON(1)>TON(0))，且可在开启时期TON(1)中持续增加到更高的值，使得电流曲线下的面积变大。由于功率因素提升电路120改造零电流侦测电压VZCD的运作提早触发主动功率因素修正器110开启电流开关Q，故电流开关Q的开启时期TON(1)、电流IQ的最大值以及电流IQ的积分量(曲线下的面积)都增加了，其中功率因素提升电路120提升了主动功率因素修正器110的输入端的能量(诸如电感器L所储存的能量)，使输入电流(诸如电流IL)完美地追随所述目标，以提升所述功率因素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电源供应电路，用以供电于一负载，其特征在于，所述电源供应电路包括：
一交流直流转换器，用以将一交流电源信号转换为一直流电源信号；
一变压器，包括一一次侧及一二次侧，所述一次侧的一第一端耦接于所述交流直流转换器，所述二次侧的一第二端耦接于一接地电位；
一第一电流开关，所述第一电流开关的一第一端耦接于所述变压器的所述一次侧的一第二端，并且所述第一电流开关的一第二端通过一阻抗组件而耦接于所述接地电位；
一开关控制电路，耦接于所述变压器的所述二次侧的一第一端、所述第一电流开关的一控制端及所述第一电流开关的所述第二端，以设置所述第一电流开关呈现一导通状态或一不导通状态；以及
一功率因素提升电路，耦接于所述交流直流转换器及所述变压器的所述二次侧的所述第一端；
其中当所述开关控制电路判断所述第一电流开关的所述第二端上的一侦测电压大于一第一默认电压值时，所述开关控制电路会设置所述第一电流开关呈现所述不导通状态；当所述开关控制电路判断所述变压器的所述二次侧的所述第一端的一零电流侦测电压小于一第二默认电压值时，所述开关控制电路会设置所述第一电流开关呈现所述导通状态；并且当所述直流电源信号大于一默认输入电压位准时，所述功率因素提升电路会将所述零电流侦测电压设置为小于所述第二默认电压值，使所述开关控制电路将所述第一电流开关设置为所述导通状态。
2.如权利要求1所述的电源供应电路，其特征在于，所述功率因素提升电路包括：
一比较电路，耦接至所述交流直流转换器，用以比较所述直流电源信号与所述默认输入电压位准；以及
一电压调整电路，耦接至所述比较电路及所述变压器的所述二次侧的所述第一端；
其中当所述比较电路判断所述直流电源信号大于所述默认输入电压位准时，所述电压调整电路会将所述零电流侦测电压设置为小于所述第二默认电压值，使所述开关控制电路将所述第一电流开关设置为所述导通状态。
3.如权利要求2所述的电源供应电路，其特征在于，所述电压调整电路包括一第二电流开关，所述第二电流开关耦接于所述变压器的所述二次侧的所述第一端及所述接地电位之间；所述比较电路耦接于所述第二电流开关的一控制端；并且当所述比较电路判断所述直流电源信号大于所述默认输入电压位准时，所述比较电路会设置所述第二电流开关呈现一导通状态，以使所述零电流侦测电压小于所述第二默认电压值，而使所述开关控制电路将所述第一电流开关设置为所述导通状态。
4.如权利要求3所述的电源供应电路，其特征在于，当所述比较电路判断所述直流电源信号小于所述默认输入电压位准时，所述比较电路会设置所述第二电流开关呈现一不导通状态。
5.如权利要求1所述的电源供应电路，其特征在于，所述开关控制电路采用一脉冲宽度调变方式，以设置所述第一电流开关呈现所述导通状态或所述不导通状态。
6.如权利要求1所述的电源供应电路，其特征在于，所述开关控制电路采用一脉冲频率调变方式，以设置所述第一电流开关呈现所述导通状态或所述不导通状态。
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